碱性介质中大庆油页岩电化学氧化研究

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本文探讨了在碱性介质中大庆油页岩电化学氧化的反应特性,优化了电解氧化工艺条件,提高了油页岩的利用效率,并通过电化学方法电解氧化油页岩获得了有机腐殖酸,如水溶酸(Water-soluble acid, WSA)和水不溶酸WIA (Water-insoluble acid, WIA).本文以KOH溶液为介质,采用三电极体系的H型隔膜电解反应器,应用循环伏安法、计时电位法和计时电流法考察了电流(0.1A、.15A、0.2A、0.21A、0.22A)、电压(0.4V、0.6V、0.8V、1.0V、1.2V)、反应时间(3h、4h、5h、6h、7h)、温度(30-C、40"C、50℃、60℃、70℃),KOH碱液浓度(0.5%、4%、8%、12%、16%)、油页岩浓度(16.67g/L、33.33g/L、 66.67g/L、83.33g/L、100g/L)等氧化条件对油页岩电解氧化过程和产物分布规律的影响。结果表明,碱性条件下大庆油页岩电化学氧化产物中以WIA为主,WSA产率较低,WIA氧化为WSA为速度控制步骤。采用计时电位法,获得较高总腐殖酸产率反应条件为:Ni阳极,Pt阴极,初始氧化电流0.2A,电解温度60℃,电解时间5h, KOH碱液浓度8%,油页岩浓度16.67g/L,此时总腐殖酸产率可达93.03%(daf oil shale)。在各考察条件的范围内,考察因素对产率影响的变化规律为:随电流和碱浓度的增大,总腐殖酸、WIA和WSA产率先增大后减小;随时间的延长和温度的升高,总腐殖酸和WIA产率先增大后减小,WSA产率逐渐增加;随油页岩浓度的增加,总腐殖酸、WIA和WSA产率都下降;Ni做阳极时WIA和WSA产率大于Pt做阳极时的产率。采用计时电流法,考察因素对氧化电流的影响主要为:增加碱浓度,氧化电流变大,但在碱浓度较高时,电极容易失活;阳极电位越大,氧化电流值也越大;随油页岩浓度的增加,初始氧化电流和反应结束时达到的稳定氧化电流都降低;温度与有效电流值符合阿伦尼乌斯方程,碱性溶液中油页岩电化学氧化的表观活化能为Ea=23.097kJ/mol。为获得较高产率的总腐殖酸,采用计时电流法电解的反应条件为:初始阳极电压1.2V、电解温度60℃、电解时间5h、KOH碱液浓度4%、油页岩浓度16.67g/L,此时总腐殖酸产率可达96.63%(daf oil shale)。油页岩电化学氧化得到的阴极气体产物为纯度高达99%的H2;采用红外光谱仪分析产物水不溶酸、电解后的油页岩和脱灰后油页岩,发现水不溶酸是含有芳环、羰基和羧基结构的有机大分子化合物;电解后的油页岩结构基本没有发生变化;脱灰后的油页岩杂环和支链断裂,大分子结构的交联度下降,自身的有机质含量相对增加。
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